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AVALIAÇÃO DO EFEITO DA REDUÇÃO DE VIAGENS SEM CARGA NO DANO DOS PAVIMENTOS

Arminda Almeida1 e Luís Picado-Santos2

1CITTA, Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Coimbra, Rua Luís Reis Santos, 3030-788, Coimbra, Portugal

email: arminda@dec.uc.pt http://www.uc.pt/fctuc/dec

2 CESUR- CERIS, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Av. Rovisco Pais, 1049-001, Lisboa, Portugal

Sumário

Este artigo avalia o efeito que a redução das viagens sem carga tem no dano dos pavimentos. Para tal, consideram-se duas estruturas de pavimento (uma delgada e uma espessa) e definiram-se duas correntes de tráfego, uma para cada estrutura. As cargas dinâmicas (excitadas pela irregularidade superficial dos pavimentos) aplicadas pelos veículos aos pavimentos foram simuladas no TruckSIM®. Os resultados mostram que uma redução das viagens sem carga de 25 para 0% aumenta o dano 27%. Consequentemente, o aumento da eficiência do transporte rodoviário de mercadorias não pode ser vista de forma desligada do seu efeito nas estruturas de pavimento.

Palavras-chave: Pavimentos Rodoviários Flexíveis; Dano; Viagens sem carga; Simulação de veículos

1 INTRODUÇÃO

Os sistemas de transporte, em particular o transporte rodoviário de mercadorias, devem ser o mais eficiente possível de modo a transportar a totalidade da carga com o menor número de viagens. Essa eficiência pode ser conseguida aumentando o fator de carga (relação entre a carga transportada e carga máxima que pode ser transportada) ou diminuindo o número de viagens sem carga.

A Fig. 1 apresenta a variação (valor máximo, médio e mínimo) das percentagens de veículos sem carga (veículo-quilómetro) entre 2002 e 2010 e a Fig. 2 apresenta, para o mesmo período, os fatores de carga (em massa) calculados para o veículo articulado de 2+3 eixos, a partir da base de dados do Eurostat [1]. Esses fatores de carga foram calculados dividindo, primeiro as toneladas-quilómetro transportadas pelos veículos-quilómetro, e de seguida o valor obtido pela carga máxima que pode ser transportada (26 t). Para todos os países, a percentagem média de viagens sem carga é cerca de 25% e o fator de carga médio é cerca de 0,70.

Fig. 1 – Percentagem de veículos sem carga (entre 2002 e 2011) [1]

2

Fig. 2 – Fator de carga para o veículo articulado de 2+3 eixos (entre 2002 e 2011) [1]

Como veículos mais carregados são mais gravosos para as estruturas de pavimento, é importar avaliar o efeito do aumento da eficiência no dano das estruturas de pavimento. Este artigo avalia o efeito da redução das viagens sem carga. Para tal, definiu-se uma corrente de tráfego com fator de carga e percentagem de viagens sem carga em correspondência com as médias obtidas a partir da base de dados do Eurostat. De seguida, criaram-se correntes de tráfego com menores percentagens de veículos sem carga e avaliou-se o seu efeito no dano das estruturas.

Os veículos da corrente se tráfego foram simulados no software de simulação de veículos TruckSIM® [2]. Uma vez que este software permite obter perfis de carga dinâmicos, foram consideradas pavimentos com diferentes níveis de irregularidade definidos a partir do valor de IRI (International Roughness Index).

São ainda consideradas duas estruturas de pavimento, uma delgada e um espessa.

2 DESCRIÇÃO DA METODOLOGIA DE CÁLCULO

A metodologia de cálculo tem por base a metodologia de dimensionamento de pavimentos correntemente usada uma vez que considera o dano à fadiga (avaliado pela extensão de tração na base das camadas ligadas) e o dano à deformação permanente (avaliado pela extensão de compressão no topo do solo de fundação). Adicionalmente, usa o conceito de eixo-padrão. Porém, não calcula a resposta a um eixo-padrão mas a resposta a cada um dos eixos da corrente de tráfego, considerando assim de fatores de equivalência de carga entre eixos (EALFs) teóricos - Equação 1. O expoente da equação depende do critério de dimensionamento e respetiva lei de previsão de comportamento. Uma vez que são usadas as leis de previsão da Shell [2], o expoente é igual a 5 para a fadiga e igual a 4 para a deformação permanente.

exp

CritérioCritério Critérioeixo padrãoCritério eixo i eixo i

i Critério Critério Critérioeixo ieixo padrão eixo padrão

NDano ExtensãoEALF

Dano N Extensão (1)

Conhecendo os EALFs, pode-se calcular o número de aplicações de eixos-padrão usando a Equação (2).

1

Nº de eixos

ii

Nº de aplicações de eixos-padrão EALF Nº de aplicações de eixos-i (2)

3

Por fim, conhecendo o número de aplicações de eixos-padrão, é possível calcular o fator de agressividade (α) da corrente de tráfego para cada critério de dimensionamento usando a Equação (3).

Nº de aplicações de eixos-padrão

Nº de veículos (3)

A Fig. 3 apresenta um esquema da metodologia de cálculo. O cálculo dos fatores de agressividade encontra-se mais detalhado na referência [3]. Essa metodologia foi implementada em VB.NET®, cuja janela de interface se mostra na Fig. 4.

Fig. 3 – Metodologia de cálculo

Fig. 4 - Interface da aplicação que calcula o dano

4

3 DEFINIÇÃO DO CASO DE APLICAÇÃO

A metodologia descrita na secção anterior é aplicada a duas estruturas de pavimento, uma estrutura de pavimento delgada, correspondente a uma classe de tráfego T6 do manual de conceção de pavimentos Português (MACOPAV) [4], e uma estrutura de pavimento espessa, correspondente a uma classe de tráfego T1 desse manual.

Considera-se que ambas as estruturas têm comportamento linear elástico, sendo apenas necessárias duas propriedades para o cálculo da resposta estrutural (módulo de deformabilidade e coeficiente de Poisson). As duas estruturas e respetivas propriedades são definidas na Fig. 5.

120 mm

200 mm

280 mm

200 mm

Betuminosa

Granular

Betuminosa

Granular

Fundação Fundação

Estrutura Delgada Estrutura Espessa

E= 200 MPaν= 0,30

E= 100 MPaν= 0,35

E= E(velocidade)ν= 0,35

E= 200 MPaν= 0,30

E= 100 MPaν= 0,35

E= E(velocidade)ν= 0,35

40 60 80

100

Estrutura delgada(MPa)

Estrutura espessa(MPa)

4470 53274942 58375306 62295606 6550

Velocidade(km/h)

Fig. 5 Estruturas de pavimento e suas propriedades

Uma vez definidas as estruturas, definiu-se a corrente de tráfego que solicitará cada uma das estruturas durante o período de dimensionamento. Para tal, recorreu-se às estatísticas do Instituto Nacional de Estatística (INE) [5] para examinar o parque de pesados em Portugal e sua evolução (Fig. 6 e Fig. 7).

Fig. 6. Percentagem por tipo de veículo

Fig. 7. Percentagem por arranjo dos eixos para os dois tipos de veículos mais usados

5

Em 2011, o camião de 2 eixos e o veículo articulado de 2+3 eixos representaram 75% do parque automóvel de pesados. Consequentemente, as corrente de tráfego serão compostas por estes dois veículos. São definidas duas correntes uma vez que uma estrutura de pavimento mais delgada está sujeita a um menor número de veículos que normalmente é menos agressivo, em termos de cargas transportadas, e mais lento do que aquele que solicita uma estrutura de pavimento mais espessa. A Fig. 8 apresenta as correntes de tráfego consideradas, as quais foram definidas de modo a ter fatores de carga e percentagem de viagens sem carga em correspondência com as médias obtidas a partir da base de dados do Eurostat (ver Fig. 1 e Fig. 2). Essas correntes de tráfego são as correntes de referência. De seguida, reduziu-se a percentagem de veículos sem carga a qual foi distribuída igualmente pelos veículos subcarregados em 20% e pelos veículos completamente carregados. O Quadro 1 apresenta os diferentes casos de carga e respetivos fatores de carga para cada estrutura de pavimento. De modo a ter correntes de tráfego mais realistas são considerados 10% de veículos sobrecarregados. Contudo, como se espera que, no futuro, os veículos cumpram os pesos máximos legais, considera-se também a situação de 0% de veículos sobrecarregados, Quadro 2.

Fig. 8. Corrente de tráfego para cada estrutura de pavimento

Quadro 1. Definição da percentagem de veículos sem carga e correspondentes fatores de carga para cada uma das estruturas analisadas

Caso Sem carga Subcarregados

em 20% Completamente

carregados Sobrecarregados

em 10% Fator de carga da estrutura delgada

Fator de carga da estrutura espessa

1 25,0% 32,5% 32,5% 10,0% 0,670 0,667

2 20,0% 35,0% 35,0% 10,0% 0,712 0,709

3 15,0% 37,5% 37,5% 10,0% 0,755 0,752

4 10,0% 40,0% 40,0% 10,0% 0,798 0,794

5 5,0% 42,5% 42,5% 10,0% 0,841 0,837

6 0,0% 45,0% 45,0% 10,0% 0,883 0,879

6

Quadro 2. Definição da percentagem de veículos sem carga e correspondentes fatores de carga para cada uma das estruturas analisadas (0% de veículos sobrecarregados)

Caso Sem carga Subcarregados

em 20% Completamente

carregados Sobrecarregados

em 10% Fator de carga da estrutura delgada

Fator de carga da estrutura espessa

1 25,0% 37,5% 37,5% 0,0% 0,641 0,637

2 20,0% 40,0% 40,0% 0,0% 0,683 0,679

3 15,0% 42,5% 42,5% 0,0% 0,726 0,722

4 10,0% 45,0% 45,0% 0,0% 0,769 0,764

5 5,0% 47,5% 47,5% 0,0% 0,811 0,807

6 0,0% 50,0% 50,0% 0,0% 0,854 0,849

A consideração de EALFs teóricos, calculados a partir da resposta da estrutura a cada um dos eixos que solicita a estrutura, implica o conhecimento dos pneus que equipam os veículos assim como o conhecimento das respetivas áreas de contacto. A Fig.9 apresenta os pneus que correntemente equipam os veículos considerados e as respetivas áreas de contacto para uma carga por eixo de 80 kN. Para cargas diferentes de 80 kN, variou-se o comprimento da área de contacto usando regressões definidas a partir de dados bibliográficos[6].

Fig.9. Pneus e respetivas áreas de contacto

Como referido anteriormente são considerados pavimentos com diferentes níveis de irregularidade na simulação de veículos de modo a excitar as cargas dinâmicas aplicadas pelos veículos às estruturas de pavimento. Para tal, foram gerados perfis de irregularidade de acordo com o procedimento definido em [7] e com a composição espectral definida na norma ISO 8608 [8]. A Fig. 10 apresenta os perfis longitudinais gerados.

A título de exemplo, a Fig. 11 apresenta os perfis de carga dinâmicos para o veículo articulado de 2+3 eixos quando este circula completamente carregado a 80 km/h sobre uma estrutura de pavimento com IRI igual a 2m/km. A linha a vermelho representa a carga considerada no cálculo do dano, que correspondente ao percentil 85% do perfil. Considerou-se uma carga mais relevante para atender ao conceito de repetibilidade espacial que refere que os picos de carga aplicados por corrente de veículos pesados estão concentrados em localizações específicas ao longo do pavimento originado maior dano nessas localizações [7]

7

-5

0

5

Z1 (

mm

)

-10

0

10

Z2 (

mm

)

-15

0

15

Z3 (

mm

)

-20

0

20

Z4 (

mm

)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-25

0

25

Distance (m)

Z5 (

mm

)

Fig. 10. Perfis longitudinais gerados para valores de IRI específicos (1, 2, 3, 4 e 5 m/km)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

5

10

15

Distance (m)

Pax

le1 (

t)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

5

10

15

Distance (m)

Pax

le2 (

t)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

5

10

15

Distance (m)

Pax

le3 (

t)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

5

10

15

Distance (m)

Pax

le4 (

t)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

5

10

15

Distance (m)

Pax

le5 (

t)

Fig. 11. Perfis de carga dinâmicos para o veículo articulado de 2+3 eixos quando este circula completamente carregado a 80 km/h sobre uma estrutura de pavimento com IRI igual a 2m/km

4 APLICAÇÃO E RESULTADOS

Os danos à fadiga e à deformação permanente ao fim de 20 anos são apresentados na Fig. 12 e na Fig. 13, respetivamente para a estrutura delgada e para a estrutura espessa.

8

Fig. 12. Variação do dano com a percentagem de viagens sem carga para a estrutura delgada

Fig. 13. Variação do dano com a percentagem de viagens sem carga para a estrutura espessa

Quando a percentagem de viagens sem carga reduz de 25 para 0%, o dano à fadiga e à deformação permanente aumenta em cerca de 27% qualquer que seja o IRI inicial. Quando a percentagem de veículos sobrecarregados é 0%, o dano é, como previsível, mais baixo. Esse abaixamento é de cerca de 10%.

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5 CONCLUSÕES

Os resultados mostram claramente que o aumento da eficiência no transporte de mercadorias não pode ser vista de forma isolada, isto é, desligada do seu efeito no dano dos pavimentos. Este artigo avaliou o efeito que a redução das viagens sem carga tem no dano dos pavimentos. Uma redução de 25 para 0% nas viagens sem carga aumentou o dano em 27%, reduzindo significativamente a vida útil das estruturas de pavimento em serviço, o que se traduz em custos acrescidos para a administração rodoviária. Esses custos serão ainda mais elevados se em paralelo com o aumento da eficiência se tiver um aumento da irregularidade longitudinal dos pavimentos, o que é um resultado que se pode esperar em termos da evolução dessa irregularidade.

6 REFERÊNCIAS

1. Eurostat. Statistical Database - Road Transport. 2013 January 4, 2013]; Available from: http://epp.eurostat.ec.europa.eu/portal/page/portal/transport/data/database.

2. Shell, Shell pavement design manual - asphalt pavements and overlays for road traffic. 1978: Shell International Petroleum Company Limited, London.

3. Almeida, A. and L. Picado-Santos, Methodological Framework for Truck-Factor Estimation Considering Vehicle–Pavement Interaction. Journal of Transportation Engineering, 2015. 141(2): p. 04014074.

4. JAE, Manual de Concepção de Pavimentos para a Rede Rodoviária Nacional (Pavement Design Manual for the Portuguese Road Network). 1995, JAE (Junta Autónoma de Estradas).

5. INE. Instituto Nacional de Estatística (Statistics Portugal). 2012 October 2012. In Portuguese]; Available from: http://www.ine.pt/xportal/xmain?xpid=INE&xpgid=ine_publicacoes&PUBLICACOESpagenumber=1&PUBLICACOESrevista=00&PUBLICACOEStema=55488&PUBLICACOESfreeText=Estat%C3%ADsticas%20dos%20transportes.

6. COST 334, Effects of Wide Single Tyres and Dual Tyres (Final report of the Action - version 29 November 2001 Taskgroup 3 Final Report). 2001, European Commission, Directorate General Transport: Belgium.

7. Cebon, D., Handbook of Vehicle-Road Interaction. 1999: Taylor & Francis.

8. ISO 8608, Mechanical vibration - Road surface profiles - Reporting of measured data. 1995, International Organization for Standardization (ISO).